导读：本文研究了1900 MPa级超高强马氏体不锈钢的强度与韧性的组织控制单元，对超高强度不锈钢(UHSSS)的分层马氏体特征进行了不同程度的细化，并对其进行了细致的表征，包括原奥氏体晶粒、尺寸下降的马氏体包块和板条，并分析了它们与屈服强度和冲击韧性的关系。得出马氏体钢的屈服强度与高角晶界所定义尺寸之间的关系符合经典Hall-Petch公式，细化马氏体组织可以明显提高材料的屈服强度；超高强度不锈钢冲击韧性取决于大角度晶界和板条状马氏体晶界上残余奥氏体通过应变诱导相变吸收扩展型裂纹的频率和能量，其中板条马氏体晶界上的膜状残余奥氏体晶粒似乎贡献更大。

马氏体是淬火低合金钢中典型的分层组织，可以在多种尺度下表征，包括胞状、块状以及板条状马氏体。原奥氏体晶粒由几个具有相同惯性面的胞状马氏体组成。每个胞状马氏体被分为几个块状马氏体，其中包括几个具有相同晶粒取向的板条状马氏体。板条状马氏体是小角度晶界，而胞状马氏体和块状马氏体是大角度晶界。

众所周知，晶粒细化可以同时提高合金的强度和韧性，表明细化马氏体组织也可能起到类似的效果。目前的超高强钢几乎都是以马氏体为基体，而马氏体是典型的多层次结构单元的组织，按微结构单元尺寸由大到小排列，分别为原奥晶粒尺寸（PAGS）、马氏体块（Packet）、马氏体束（Block）、马氏体板条（Lath）。搞清楚是哪一层级的微结构单元控制了马氏体钢的屈服强度和韧性，无疑对进一步提高马氏体钢强度和韧性具有重要的指导意义，现有的研究结果目前仍然令人困惑，需要更多的研究来阐明马氏体钢强化增韧的真实微观组织机制。

基于此，北京科技大学罗海文教授团队与钢铁研究总院刘振宝教授团队合作开发了一种高含量Cr、Ni、Co、Mo的新型超高强不锈钢，其极限抗拉强度(UTS)高于1900 MPa，同时具有优异的耐蚀性和良好的韧性。本文采用不同的制造工艺制造了不同层次的马氏体组织，并对其进行了多尺度表征，分析了其与强度和韧性的关系。确定了决定超高强不锈钢的强度和韧性的因素，对进一步提高其力学性能具有重要价值。相关研究结果以题“Influence of refined hierarchical martensitic microstructures on yield strength and impact toughness of ultra-high strength stainless steel”发表在国内顶级材料期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.04.001

当超高强不锈钢中原始的原奥氏体晶粒细化到16μm时，所有的多层马氏体单元，包括包状、块状以及板条状马氏体，也相应地得到了明显的细化，从而使屈服强度和韧性都得到了显著的提高。相比之下，进一步细化到6μm左右会导致胞状马氏体的尺寸减小，但块状和板条状马氏体的尺寸的变化可以忽略不计，由此产生的屈服强度略有提高，冲击韧性变化不大。

图1超高强不锈钢中典型EBSD马氏体组织的取向差和边界映射(a) 及其多层微观结构单元的说明(b)

图2 HR75, HR50, HR50-2和HR75-2试样的分层马氏体组织。(a) 原奥氏体晶粒OM测试；(b)胞状马氏体SEM检验；(c)块状马氏体EBSD检测；(d)板条状马氏体TEM检测

图3 HR50, HR75, HR75-2试样 x射线衍射谱

马氏体超高强不锈钢屈服强度的增加遵循有效晶粒尺寸的霍尔-佩特关系，有效晶粒尺寸由大角度晶界定义，包括原奥氏体晶界和胞状以及块状马氏体晶界。超高强不锈钢的冲击韧性实际上是由在大角度晶界和板条马氏体晶界上保留的奥氏体晶粒的数量、尺寸、分布和力学稳定性决定的，因为奥氏体晶粒可以吸收扩展型裂纹，从而提高韧性。特别是板条状马氏体边界处的薄膜状残余奥氏体晶粒可能比大角度晶界处的晶粒对韧性的贡献更大，因为它们的密度和机械稳定性都更高。当分层马氏体组织的细化导致大角度晶界和板条马氏体晶界密度显著增加时，可以产生更多具有更细的尺寸和更高的力学稳定性的残余奥氏体晶粒，从而间接地提高韧性。

图4 屈服强度图。(a)原奥氏体晶粒尺寸(da)和胞状马氏体尺寸(dp)， (b)块状马氏体宽度(db)和板条状马氏体宽度(dl)以及(c)高角度边界(dHBs)定义的尺寸的倒数平方根。均采用相关系数R的霍尔-佩奇方程进行拟合

图5 HR75-2 (a)、HR75 (b)和HR50 (c)试样冲击断口表面的SEM图像;三个试样的韧窝尺寸分布如图(d)所示

图6 HR50 (a)和HR75 (b)扩展型裂纹取向差和边界图像映射EBSD图；HR50中膜状残余奥氏体奥氏体的亮场TEM图像和选择区域电子衍射(c)；EBSD图像质量和相位映射在无裂纹HR50 (d)、近裂纹(e)和无裂纹HR75 (f)、HR75-2 (g)的矩阵。绿色代表FCC阶段。高角度边界的组成在具有不同页长(h)的标本中有所不同